chapitre E2 - Cours Poncet

SVT - TS E. Atmosphère et climats - 2. Aux grandes échelles de temps
3
E2. Aux grandes échelles de temps
La plus grande difficulté pour connaître la composition atmosphérique et les
différentes composantes climatiques sur des grandes échelles est le manque
d’indices, de traces restant de ces anciennes conditions.
E2.a EVOLUTION DE L’ATMOSPHERE
i. Connaître l’atmosphère primitive
La Terre s’est formée il y a 4,5 Ga par accrétion de poussières stellaires de
composition chondrititques. Les chocs engendrés par les collisions entre parti-
cules ont libéré assez d’énergie pour entraîner la fusion et le dégazage de la
planète en formation.
L’analyse des chondrites qui tombent actuellement sur Terre permet de con-
naître la composition de l’atmosphère primitive. En effet, les CHONDRITES
n’ayant pas subi de différenciation, elles renferment tous les éléments consti-
tuant la « protoplanète Terre » et dans des proportions similaires. Leur compo-
sition chimique est le reflet de la composition chimique moyenne de la Terre.
Le dégazage des chondrites en laboratoire permet d’en extraire des élé-
ments volatils dans des proportions comparables à celles composant
l’atmosphère primitive.
Le dégazage ayant eu lieu il y a 4,5 Ga se poursuit (de façon moindre) ac-
tuellement. Les roches volcaniques d’origine profonde renferment des inclu-
sions fluides, sorte de bulles emprisonnées dans des minéraux. Les gaz qu’elles
renferment n’ont pas été en contact avec l’atmosphère actuelle.
L’analyse des gaz chondritiques et volcaniques permet d’approximer la
composition de l’atmosphère primitive.
Doc 1 Formation des météorites et de la Terre
4

SVT - TS E. Atmosphère et climats - 2. Aux grandes échelles de temps
4
ii. Composition gazeuse de l’atmosphère primitive et actuelle
L’atmosphère primitive est essentiellement constituée d’H2O (à l’état de va-
peur) et de CO2. Elle ne contient pas d’O2.
L’atmosphère actuelle est caractérisée par sa richesse en O2 et N2, alors que
H2O et CO2 largement minoritaires
Gaz chondritiques
Gaz volcaniques
Atmosphère actuelle
H2O
80
83
< 1
CO2
20
12
0.04
N2
1
5
78
O2
0
0
21
iii. Réservoirs
La composition actuelle et passée de l’atmosphère est le résultat
d’interactions permanentes entre les quatre réservoirs terrestres : atmosphère,
hydrosphère, géosphère et biosphère.
Les éléments présents dans les différents réservoirs sont engagés dans des
cycles biogéochimiques où ils alternent les phases solubles, gazeuses, liquides
ou solides.
Doc 2 Composition gazeuse en pourcent des gaz chondritiques, des gaz volcaniques et de
l’atmosphère actuelle

SVT - TS E. Atmosphère et climats - 2. Aux grandes échelles de temps
5
E2.b EVOLUTION DU DIOXYGENE ATMOSPHERIQUE
i. Les roches sédimentaires comme indicateur de la présence d’O2
Les roches sédimentaires sont de bons indicateurs du milieu (atmosphé-
rique/océanique) dans lequel elles se sont formées. La présence d’oxyde de
fer, comme l’HEMATITE, est caractéristique d’un milieu oxydant, donc riche en
O2.
La présence de fer rubané ("banded iron formation" ou BIF en Anglais) té-
moigne de production localisée d’O2 dans les océans entre -3,5 et – 2,2 Ga.
Les fers rubanés sont des roches formées de lits d'hématite (Fe2O3) alternant
avec des lits de silice (SiO2) plus ou moins colorés par l'hématite. L'hématite,
normalement grise, devient rouge lorsqu'elle est oxydée (oxydes ferriques
Fe3+).
Après -2,2 Ga, les paléosols retrouvés sont riches en hydroxydes ferriques (ions
Fe3+) qui ont précipité sur place. Ces paléosols ont une couleur rouge carac-
téristique et témoignent d’une atmosphère oxydante.
ii. Evolution de la concentration atmosphérique d’O2
La présence de stromatolithes fossiles datant de 3.5 Ga démontre que la
production d’O2 est d’origine photosynthétique.
Toutefois, il y a un décalage entre la présence de ces organismes et
l’apparition d’une atmosphère oxydante 1Ga plus tard. Jusqu’à 2 Ga, la forte
activité volcanique et hydro-
thermale sature l’océan de ions
ferreux solubles (Fe2+). La pro-
duction d’O2 étant alors locali-
sées dans des lagunes confi-
nées, il est immédiatement pié-
gé par l’oxydation de fer qui
précipite sous forme d’oxydes
ferriques. Ce n’est que lorsque
tout le fer des océans a précipi-
té que l’O2 se répand dans les
océans et diffuse dans
l’atmosphère.
13

SVT - TS E. Atmosphère et climats - 2. Aux grandes échelles de temps
6
E2.c EVOLUTION DU DIOXYDE DE CARBONE ATMOSPHERIQUE
La concentration de CO2 atmosphérique a varié de 85% à 0.04%.
Le CO2 atmosphé-
rique provient es-
sentiellement du
volcanisme. Si celui-
ci a varié au fil des
années, il n’est ja-
mais devenu infé-
rieur aux valeurs ac-
tuelles. La diminu-
tion de CO2 atmosphérique s’explique donc par sa séquestration dans les
autres réservoirs terrestres.
L’essentiel du CO2 atmosphérique constituant l’atmosphère primitive se
trouve actuellement stocké sous forme de carbonates (27.106 GT de car-
bone) et de roches carbonées (7.106 GT de carbone). Ces roches de la li-
thosphère constituent donc des réservoirs de carbone.
i. Intégration dans l’hydrosphère
Lorsque la température terrestre est descendue en dessous de 100°C, l’eau
s’est condensée formant les fleuves et les océans. Le cycle de l’eau s’est dès
lors mis en place, mu par l’énergie solaire.
Les grosses précipitations à l’origine de l’hydrosphère ont emporté le CO2 at-
mosphérique très soluble.
Cette eau de pluie chargée en CO2 dissous induit une altération des roches
(silicates, carbonates, …) , conduisant au lessivage de certains atomes. Dans
le cas des silicates calciques par exemple, les ions calciums sont lessivés et
précipitent par la suite avec les ions hydrogénocarbonates en calcaire.
[1] CaSiO3 + H2O + 2 CO2 à SiO2 + Ca2+ + 2 HCO3-
[2] Ca2+ + 2 HCO3- à CaCO3 + H2O + CO2
ii. Intégration dans la biosphère et géosphère
è Analyser des documents
1. A parti des documents ci-dessous expliquer pourquoi le CO2 atmosphérique
était irréversiblement transféré de l’atmosphère à la biosphère puis à la géos-
phère entre 3.5 et 2.5 Ga.
-III -Evolution du dioxyde de carbone dans
l’atmosphère
16
Doc 1 Les premières formes de vie sur Terre

SVT - TS E. Atmosphère et climats - 2. Aux grandes échelles de temps
7
Doc 2 Echanges de CO2 entre
l’atmosphère et la biosphère
Doc 3 Stromatolites
Les stromatolites sont des structures en
couches résultant de l’activité de cyanobac-
téries et d’un piégeage de particules sédi-
mentaires. Ils se forment en milieu marin
côtier.
Les éléments a et b présentent la croissance
verticale des filaments de cyanobactéries le
jour, avec piégeage de sédiments et précipi-
tation des carbonates. c présente la crois-
sance horizontale des filaments d’autres
bactéries la nuit et fixation des particules.
Doc 4 Processus chimiques à l’origine de la
croissance des stromatolites
La croissance en couches successives d’un
stromatolite, outre le dépôt et le piégeage
mécanique de particules sédimentaires par les
filaments bactériens, est la conséquence :
1. de la solubilisation du dioxyde de carbone
atmosphérique dans l’eau
2. de la dissolution du dioxyde de carbone qui
donne des ions hydrogénocarbonates (HCO3
-)
3. de la précipitation biochimique du carbonate
de calcium (CaCO3) formant un ciment
calcaire à partir des hydrogénocarbonates
(HCO3
-) et des ions calcium (Ca2+)
4. de la photosynthèse des cyanobactéries